CN105004913A - 一种电力系统交流采样频率实时跟踪方法 - Google Patents

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张家华
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Abstract

本发明涉及一种电力系统交流采样频率实时跟踪方法，将被测信号同时输入到固定采样率的第1模数转换器和可变采样率的第2模数转换器进行模数转换；将离散采样序列经过加窗FFT变换，得到幅值谱序列；根据幅值谱序列中的幅值最大值yk及其对应的谱线号k，以及相邻谱线号k+1对应的幅值yk+1对被测交流信号的频率进行校正，得到校正频率f；根据第2模数转换器每周期所需采样点数与校正频率f对第2模数转换器的采样率进行调整，第2模数转换器对电力系统交流信号进行整周期等分同步采样分析；本发明提供的电力系统交流采样频率实时跟踪方法不需使用锁相环，整体可靠性高，跟踪效果好。

Description

一种电力系统交流采样频率实时跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种工频交流采样频率实时跟踪技术，属于电力系统交流采样测量技术领域。
背景技术
电力系统中电压、电流信号的采集分析处理目前多数都采用交流采样，即对信号的瞬时值按照一定的规律进行采样，然后进行均方根有效值计算或者通过离散傅里叶变换进行谐波分析，无论是均方根计算还是离散傅里叶变换都需要对信号进行整周期等分采样，才能保证计算的准确性，而电网的频率并不是固定的50Hz，因而需要对信号频率进行实时跟踪。
目前多数的手段是通过硬件方式，通过硬件锁相环电路产生同步于被测交流信号的采样脉冲。这种方式硬件复杂，而且当信号谐波成分较多及含量较大时，需要更复杂的滤波等电路才能达到理想的跟踪效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种整体可靠性高，跟踪效果好的电力系统交流采样频率实时跟踪方法。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种电力系统交流采样频率实时跟踪方法，包括如下步骤：
(1)将被测交流信号同时输入到第1模数转换器和第2模数转换器进行模数转换，并输出离散采样序列，其中第1模数转换器为固定采样率模数转换器，其采样率为fs，第2模数转换器为可变采样率模数转换器，其采样率为fc；
(2)取N点长度的第1模数转换器输出的离散采样序列，经过加窗并进行FFT变换，得到幅值谱序列{y0，y1，……，yn}，其中n＝N-1；
(3)遍历幅值谱序列，获取幅值谱序列中的幅值最大值yk及其对应的谱线号k，以及相邻谱线号k+1对应的幅值yk+1；
(4)根据k、yk和yk+1对被测交流信号的频率进行校正，得到校正频率f，校正公式为f＝[k-(v-2)/(v+1)]*fs/N，其中v为校正系数，计算公式为v＝yk/yk+1；
(5)调整第2模数转换器的采样率fc，调整公式为fc＝f*M，其中M为第2模数转换器每周期所需采样点数，第2模数转换器对电力系统交流信号进行整周期等分同步采样分析。
N和M均为2的整次方。
步骤(2)中加窗使用的窗函数为Hanning窗。
由上述技术方案可知，本发明提供的电力系统交流采样频率实时跟踪方法，通过两个模数转换器实现电力系统交流信号的频率跟踪整周期等分同步采样，其中第1模数转换器的采样率为固定采样率fs，用于对电力系统交流信号进行频率测量校正，可得到接近电力系统交流信号真实频率的校正频率f；第2模数转换器的采样率为可变采样率fc，根据每周期信号所需采样点数M，调整采样率fc＝f*M，实现频率跟踪，第2模数转换器输出的采样序列即为电力系统交流信号的整周期等分采样序列。
采用Hanning窗函数对电力系统交流信号进行截断，可达到很高的频率校正精度。
与现有技术相比，本发明提供的方法通过对第1模数转换器采样系列进行频率校正，得到接近电力系统交流信号真实频率的校正频率，校正频率直接乘以第2模数转换器每周期的采样点数，即是第2模数转换器的采样率，满足了第2模数转换器整周期等分采样的要求，因此不需增加额外的硬件锁相电路。该方法利用数字信号处理技术，降低了现有硬件电路的复杂度，节省了硬件设计成本，能够高效可靠地解决电力数据监测中的频率跟踪问题；由于无需额外频率跟踪锁相硬件电路，硬件的简化避免了硬件频率跟踪电路的长期稳定性差、故障隐患多等问题，提高了可靠性，非常适用于以高性能MCU为核心的测量设备。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例；为便于对本发明的技术特点进行说明，实施例设定一个硬件系统，系统中的硬件包括一个独立外部16bit高精度频率可调整模数转换器(即第2模数转换器，其采样率为fc)与一个片上自带12bit固定频率模数转换器(即第1模数转换器，其采样率为fs)的高性能MCU。
本发明提供的电力系统交流采样频率实时跟踪方法，包括如下步骤：
(1)将被测交流信号同时输入到第1模数转换器和第2模数转换器进行模数转换，其中MCU片上12bit模数转换器采用固定采样频率fs＝50*256Hz；
(2)获得N＝256个MCU片上12bit模数转换器采样得到的采样点，并加Hanning窗进行快速傅里叶变换，得到幅值谱序列{y0，y1，……，y255}；
(3)对得到幅值谱序列进行遍历，获取幅值谱序列中的幅值最大值yk及其对应的谱线号k，以及相邻谱线号k+1对应的幅值yk+1；
(4)MCU根据公式v＝yk/yk+1计算校正系数v，随后根据校正公式计算校正频率f，校正公式为f＝[k-(v-2)/(v+1)]*fs/N；
(5)MCU根据调整公式fc＝f*M调整第2模数转换器的采样率fc，M为第2模数转换器每周期所需采样点数，取M＝512，第2模数转换器对电力系统交流信号进行整周期等分同步采样分析。
MCU内部程序对独立外部16bit高精度频率可调整模数转换器获得的频率同步离散采样信号进行有效值、谐波等需要信息的分析与计算，上述实施例获得的频率校正数据如下表：
被测交流信号真实频率(Hz) 校正频率f(Hz) 误差精度
49.5 49.4953 -0.0005875
49.8 49.7951 -0.0006125
50 49.9982 -0.000225
50.5 50.4949 -0.0006375
50.8 50.7981 -0.0002375
51 50.9999 -0.0001
51.5 51.5028 0.00035
52 52.0037 0.0004625
由上表可得，本发明提供的电力系统交流采样频率实时跟踪方法，其同步采样频率误差精度均在0.001Hz范围内，满足了电力系统交流信号高精度采样的需求。
对于工频电压、电流信号的测量，精度要求较高时，一般都采用外部模数转换器(ADC)，通过FPGA、MCU等控制ADC的采样率，而目前MCU的性能越来越高，成本越来越低，很多MCU内部还集成有10位以上的ADC。采用本发明方法可利用MCU内部ADC对信号进行频率测量校正，进而根据真实频率调整外部ADC的采样率，实现频率跟踪，均方根运算和傅里叶分析都采用外部ADC的采样数据。利用本发明提供的方法，可在不增加额外硬件电路的基础上，仅通过软件计算处理解决电网交流信号频率的同步跟踪问题。

Claims (3)

1.一种电力系统交流采样频率实时跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将被测交流信号同时输入到第1模数转换器和第2模数转换器进行模数转换，并输出离散采样序列，其中第1模数转换器为固定采样率模数转换器，其采样率为fs，第2模数转换器为可变采样率模数转换器，其采样率为fc；
(2)取N点长度的第1模数转换器输出的离散采样序列，经过加窗并进行FFT变换，得到幅值谱序列{y0，y1，……，yn}，其中n＝N-1；
(3)遍历幅值谱序列，获取幅值谱序列中的幅值最大值yk及其对应的谱线号k，以及相邻谱线号k+1对应的幅值yk+1；
(4)根据k、yk和yk+1对被测交流信号的频率进行校正，得到校正频率f，校正公式为f＝[k-(v-2)/(v+1)]*fs/N，其中v为校正系数，计算公式为v＝yk/yk+1；
(5)调整第2模数转换器的采样率fc，调整公式为fc＝f*M，其中M为第2模数转换器每周期所需采样点数，第2模数转换器对电力系统交流信号进行整周期等分同步采样分析。
2.根据权利要求1所述的电力系统交流采样频率实时跟踪方法，其特征在于：N和M均为2的整次方。
3.根据权利要求1所述的电力系统交流采样频率实时跟踪方法，其特征在于：步骤(2)中加窗使用的窗函数为Hanning窗。
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